CD4094抗干扰技术

陈炫均

摘 要 本文提出一种使用CD4094控制感性或容性负载的方法。经过测试，该方法可有效提高CD4094可靠性。

【关键词】群脉冲 CD4094

CD4094使用SPI接口扩展接口，价格便宜，且有較强驱动能力，可以支持级联。因此，使用此芯片可以简化线路板之间的连线，并减少单片机的IO端口使用。然而实际上4094大多只用于LED显示的驱动，极少用于控制如继电器或电磁阀等设备。究其原因，主要是因为SPI接口抗干扰能力较差，串行数据传输过程中若收到任何干扰都会引起严重的错误，并且在一个传输周期中一旦出错，是难以在这个周期中恢复的。因此，本文提出一种解决方案，可以在特定输出（如继电器）的环境下使用CD4094控制，而避免受到干扰的影响，并通过4000V脉冲干扰测试仪对比验证。

1 研究现状

在国内一般小家电等成本敏感应用中，由于电源不能使用过于昂贵的滤波电路（尤其是开关电源），电源的干扰极易串入通信线路从而引起通讯错误。若通过CD4094加上放大电路控制继电器等设备，则立即造成继电器输出错误，从而出现预期之外的输出甚至出现安全隐患。

因此，在小家电的输出控制和单片机在不同板上的情况，只能使用大量的连接线，或者使用双单片机的方案，提高系统的物料和工艺成本。

2 CD4094可靠性研究

2.1 CD4094通讯方式受到的干扰

（1）通过EFT群脉冲发生器，从电源端输入高频脉冲干扰信号，可以很好的模拟电器使用中，各种开关通断瞬间产生的电火花对电源信号造成的干扰。根据IEC61000-4-4，第四等级要求设备能在峰值达到4KV，重复率达到100kHz，持续时间不小于1分钟的脉冲信号下稳定工作。

（2）在简单电源滤波设备中，脉冲干扰会经过变压器耦合进入弱电区域，并引起弱电电源瞬间变化。在CD4094等SPI设备中，可能引起芯片对通讯线的误判，从而导致通讯错误。

在群脉冲测试中，VCC电压出现脉冲跳动，甚至低于原来的低电平判定电平。这时若通过CD4094加放大电路控制继电器，可以听到继电器一直在跳动，这在实际应用中会存在很大的安全隐患。

2.2 解决策略

2.2.1 改变strobe针脚空闲时极性

根据CD4094真值表可知，在Strobe针脚处于低电平时，各输出口会一直保持原有的电平。因此，尽量缩短Strobe高电平的时间可以有效降低IC输出受到干扰的可能性。在试验中，Strobe引脚只在一整个数据字发送完毕后有1个微秒的高电平时间。加上实际发送数据的时间极短，在通讯过程中与干扰脉冲遇上的时间极短，因此IC可靠性大大提高。

2.2.2 通过反馈检测数据正确性

尽管CD4094允许以较高的速度通讯，缩短通讯时间。然而还是存在一定的概率在通讯过程中遇上电源脉冲，造成通讯错误。

CD4094有一个QS引脚，可用于级联。在级联的最后一级QS或Q`Σ输出接回单片机的MISO引脚，增加一根通讯线。每一次发送数据后，向Strobe引脚发送1微秒高电平，然后重发一次数据。此时，单片机的MISO引脚就能接收到CD4094缓冲区中的数据，供单片机检测通讯过程中是否出现错误。若检测到接收与发送的数据一致，说明上次通讯正确。由于Strobe针脚一直保持为低，即使在上一次发送的过程中出现错误，也无法进入输出部分，也就不会出现错误输出；若检测到接收与发送的数据不一致，说明上次或这次通讯极有可能出现错误，由于这次通讯重发了一次数据，直接向Strobe引脚发送1微秒高电平即可，然后重复发送数据，直至接收到的数据与发送数据一致为止。由于CD4094的通讯速度较快，通讯时间极短，因此通讯错误然后重发的时间也极短，在感性或容性负载，如继电器、电磁阀等设备不会造成错误输出。

2.3 电路测试

在此电路上，控制继电器交错输入输出，此时，若注入4000V群脉冲干扰信号，CD4094通讯偶尔会出现错误的情况。

由图1可见，在通讯受到干扰而出现输出错误时，由于单片机得到了来自QS信号的反馈，及时重新发送，因此错误输出只维持了9us，大大小于继电器、电磁阀等器件的反应速度。因此在10分钟的4000V群脉冲测试中，所有输出未出现错误的情况。

3 结论

通过文中的分析及实验结果，可以证明，在控制感性或容性输出的器件时，若单片机脚位不足，或是难以使用太多连接线时（如在不同PCB板上，需要排线连接），通过CD4094实现扩展，是完全可以可靠实现控制的。